Espectroscopia viscoelástica de banda ancha

La espectroscopia viscoelástica de banda ancha (BVS) es una técnica para estudiar sólidos viscoelásticos tanto en flexión como en torsión. Proporciona la capacidad de medir el comportamiento viscoelástico durante once décadas (órdenes de magnitud) de tiempo y frecuencia : de 10 −6 a 10 5 Hz. [1] [2] [3] [4] [5] La BVS se utiliza normalmente para investigar propiedades viscoelásticas de forma isotérmica en un amplio rango de frecuencias o en función de la temperatura en una única frecuencia. [3] Es capaz de medir propiedades mecánicas directamente en estos rangos de frecuencia y temperatura; como tal, no requiere superposición de tiempo-temperatura ni la suposición de que las propiedades del material obedecen a una dependencia de la temperatura de tipo Arrhenius . [4] [5] Como resultado, se puede utilizar para muestras heterogéneas y anisotrópicas para las que no se aplican estas suposiciones. [4] La BVS se utiliza a menudo para la determinación de coeficientes de atenuación , [2] [6] módulos dinámicos , [2] [3] [4] y especialmente relaciones de amortiguamiento . [1] [2] [3] [4] [5]

La BVS se desarrolló principalmente para superar las deficiencias en los rangos funcionales de otras técnicas de caracterización viscoelástica. Por ejemplo, la espectroscopia ultrasónica resonante (RUS), otra técnica popular para estudiar sólidos viscoelásticos, experimenta dificultades para determinar los parámetros de un material por debajo de su frecuencia resonante . [6] Además, la BVS es menos sensible a la preparación de la muestra que la RUS.

Historia

BVS fue desarrollado por primera vez por CP Chen y RS Lakes en 1989 con el fin de abordar las deficiencias de las técnicas de laboratorio existentes para estudiar materiales viscoelásticos. [1] Posteriormente fue refinado por M. Brodt et al. para mejorar la rigidez y resolución del aparato, que eran fuentes de error en el diseño original. [1] [7] Utilizado por primera vez para estudiar poli(metilmetacrilato) (PMMA), [1] [6] desde entonces ha visto aplicaciones en la determinación de las propiedades de los huesos , [2] dieléctricos de condensadores , [3] metales de alta amortiguación, [4] y otros materiales viscoelásticos similares.

Diseño

El aparato BVS consta de una muestra rodeada de bobinas de Helmholtz y aislada de las vibraciones externas por un marco construido a partir de espuma aislante y plomo o latón. [1] [2] [4] La muestra se fija con un imán permanente y un espejo. La orientación de las bobinas con respecto al imán cuando se impulsa una corriente a través de ellas determina si la muestra sufre flexión o torsión. El desplazamiento angular de la muestra se mide mediante un interferómetro que detecta el movimiento espacial de un láser reflejado. Esta forma de onda espacial se convierte en una forma de onda eléctrica mediante un detector de luz y se lee en un osciloscopio . Este osciloscopio también muestra la forma de onda de torsión o fuerza del condensador que impulsa la corriente en las bobinas de Helmholtz. El retraso de fase se determina comparando estas formas de onda.

La resonancia se minimiza mediante el uso de muestras cortas, que tienen frecuencias de resonancia más altas, y reduciendo la inercia ( momentos magnéticos y de masa ) del imán. Los imanes cúbicos de samario-cobalto son ideales para estudios de alta frecuencia. [1] [4] Debido a que la geometría de la muestra es una barra o cilindro rectangular corto, la ecuación que rige la resonancia de la geometría de la muestra BVS tiene una solución analítica exacta, lo que permite que la técnica produzca resultados incluso para materiales de alta pérdida. [1] [4] Esta solución exacta proporciona una relación entre los módulos dinámicos, el desplazamiento angular y los parámetros geométricos. [4] La falta inherente de deriva y fricción en el aparato es responsable de su gran rango de frecuencias operativas.

Referencias

  1. ^ abcdefgh Chen, CP; Lakes, RS (1989). "Aparato para determinar las propiedades viscoelásticas de los materiales a lo largo de diez décadas de frecuencia y tiempo". Journal of Rheology . 33 (8): 1231–1249. Bibcode :1989JRheo..33.1231C. doi :10.1122/1.550071.
  2. ^ abcdef Buechner, PM; Lagos, RS; Swan, C.; Brand, RA (2001). "Un estudio espectroscópico viscoelástico de banda ancha del hueso bovino: implicaciones para el flujo de fluidos". Anales de ingeniería biomédica . 29 (8). Springer Nature: 719–728. doi :10.1114/1.1385813. ISSN  0090-6964. PMID  11556728. S2CID  1075003.
  3. ^ abcde Dong, Liang; Stone, Donald S.; Lakes, Roderic S. (2008). "Medición por espectroscopia viscoelástica de banda ancha de la pérdida mecánica y el módulo de BaTiO 3 policristalino en función de la temperatura y la frecuencia". Physica Status Solidi B . 245 (11). Wiley: 2422–2432. Bibcode :2008PSSBR.245.2422D. doi :10.1002/pssb.200880270. ISSN  0370-1972. S2CID  14719668.
  4. ^ abcdefghij Wang, YC; Ludwigson, M.; Lakes, RS (2004). "Deformación de metales y compuestos extremadamente viscoelásticos". Ciencia e ingeniería de materiales: A . 370 (1–2). Elsevier BV: 41–49. doi :10.1016/j.msea.2003.08.071. ISSN  0921-5093.
  5. ^ abc Lee, T.; Lakes, RS; Lal, A. (julio de 2000). "Espectroscopia ultrasónica resonante para la medición de la amortiguación mecánica: comparación con la espectroscopia viscoelástica de banda ancha". Review of Scientific Instruments . 71 (7): 2855–2861. Bibcode :2000RScI...71.2855L. doi :10.1063/1.1150703.
  6. ^ abc Aksoy, Hüseyin Gökmen (abril de 2016). "Espectroscopia ultrasónica de banda ancha para la caracterización de materiales viscoelásticos". Ultrasonidos . 67 : 168–177. doi :10.1016/j.ultras.2016.01.012. PMID  26859428.
  7. ^ Brodt, M.; Cook, LS; Lakes, RS (1995). "Aparato para medir propiedades viscoelásticas a lo largo de diez décadas: refinamientos". Review of Scientific Instruments . 66 (11): 5292. Bibcode :1995RScI...66.5292B. doi :10.1063/1.1146101.
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